Aux origines du boson de Higgs

Puis, en se refroidissant, l'Univers a franchi un seuil critique qui allait façonner les lois de la physique telles que nous les connaissons aujourd'hui. Un champ quantique imprégnant tout l'espace, le champ de Higgs, s'est mis alors à agir, brisant spontanément les symétries originelles, conférant leur masse aux particules élémentaires et scindant la force électrofaible en deux interactions distinctes : la force électromagnétique, responsable de l'électricité et du magnétisme, et la force faible, qui fait briller les étoiles.

La découverte du boson de Higgs en 2012, au Cern, grâce au grand collisionneur de hadrons (LHC), a confirmé ce moment clé de l'histoire cosmique, "mais de nombreux mystères demeurent ", pose Nicolas Berger, chercheur au Laboratoire d'Annecy de physique des particules. Les scientifiques ignorent, en particulier, de quelle manière le champ de Higgs est entré en action. "Une énigme au croisement de plusieurs autres questionnements majeurs, sur la prédominance de la matière sur l'antimatière ou la stabilité même du cosmos, mais qui devrait être résolue grâce aux prochaines générations d'accélérateurs de particules ", s'enthousiasme Nicolas Berger.

L'analogie suivante permet de mieux comprendre le phénomène de brisure spontanée de symétrie. Pour cela, imaginez une bille qui serait placée en équilibre au sommet d'un "chapeau mexicain" : une position parfaitement symétrique où toutes les directions sont équivalentes, mais qui est instable et ne peut durer qu'un court instant. Elle correspond en effet à un maximum local d'énergie potentielle gravitationnelle, la moindre perturbation faisant rouler la bille dans une direction ou une autre vers le creux du chapeau - le point le plus bas du système - où l'énergie est cette fois-ci minimale.

L'énergie potentielle du champ de Higgs a connu une transition majeure au début de l'Univers. Crédit : BRUNO BOURGEOIS - SOURCE : PRITAM DAS, 2021

C'est ce type de mécanisme qui est intervenu peu après le Big Bang. Car le champ de Higgs est associé lui aussi à une énergie potentielle et adopte spontanément la configuration la plus basse. À l'aube de l'Univers, il se trouvait ainsi dans un état symétrique mais instable, comme la bille au sommet du chapeau, avec une énergie potentielle maximale mais une valeur égale à zéro dans le vide de l'espace.

Puis, quand l'Univers a commencé à s'étendre, à refroidir, passant en deçà d'un certain seuil de température, il a fait basculer le champ de Higgs vers la configuration d'énergie potentielle la plus basse tout en lui conférant une valeur non nulle dans le vide. C'est à ce moment que les particules élémentaires - notamment celles qui transmettent la force faible - ont commencé à ressentir sa présence et à se différencier : "Plus elles entraient en interaction avec lui, plus elles étaient ralenties et devenaient massives ", indique Nicolas Berger.

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Des hypothèses pour expliquer la prédominance de la matière

Mais les physiciens ne savent pas comment le potentiel du champ de Higgs a évolué au cours de cette transition. Pour reprendre l'analogie du chapeau mexicain, tout l'enjeu est de comprendre de quelle manière le "creux" s'est formé dans les tout premiers instants de l'Univers. Plusieurs situations sont possibles.

La plus simple décrit un processus graduel où le minimum d'énergie potentielle aurait glissé lentement vers sa position d'équilibre final. Dans ce cas de figure, les particules auraient acquis leur masse de façon plutôt progressive et homogène à mesure que l'Univers s'est refroidi. Une deuxième famille de scénarios envisage, au contraire, une transition brutale. Le champ de Higgs aurait alors chuté subitement dans cet état de moindre énergie, engendrant ici et là de petites bulles de "nouveau vide", emplies du champ de Higgs, baignant encore dans l'ancien vide qui en était dépourvu. Dans un univers en pleine expansion, ces bulles auraient rapidement gonflé puis fusionné entre elles jusqu'à emplir tout le cosmos.

Une hypothèse particulièrement fascinante, car elle pourrait éclairer l'une des interrogations les plus fondamentales de l'astrophysique : pourquoi l'Univers est-il presque entièrement composé de matière, alors que matière et antimatière ont été produites en quantités égales au moment du Big Bang ? "Les particules de matière et d'antimatière - comme l'électron et son antiparticule, de même masse mais de charge opposée s'annihilent lorsqu'elles se rencontrent ", rappelle Nicolas Berger. L'apparition d'un excès de matière implique ainsi une rupture brutale de l'équilibre initial : sans cela, la réaction inverse aurait annihilé aussitôt toute la matière naissante. "Des bulles de nouveau vide formées au cours de la brisure de symétrie électrofaible auraient très bien pu provoquer ce déséquilibre favorisant la matière au détriment de l'antimatière ", avance le chercheur.

Il existe enfin un troisième type de possibilités, hautement improbables mais apocalyptiques. Dans ces situations, le potentiel du champ de Higgs ne présenterait pas un seul minimum mais au moins deux. L'état actuel de l'Univers correspondrait alors à un minimum local, un "faux vide" mais pas au niveau d'énergie le plus bas. Il pourrait donc, théoriquement, basculer vers un creux plus profond du chapeau mexicain, générant des bulles de "vrai vide" se propageant à la vitesse de la lumière, en détruisant puis en reconfigurant totalement l'Univers ! Pas de panique toutefois : le fait que le cosmos soit âgé de 13,7 milliards d'années indique que cet état métastable - s'il existe - pourrait durer incroyablement longtemps.

C'est néanmoins une raison supplémentaire qui pousse les physiciens à vouloir connaître la forme de l'énergie potentielle du champ de Higgs. Or, cet objectif devrait pouvoir être atteint grâce au LHC "haute luminosité" attendu à l'horizon 2030, et, plus encore, au futur collisionneur circulaire, son successeur présumé d'ici à une vingtaine d'années. Ces collisionneurs de particules seront en effet assez performants pour réaliser une expérience décisive : mesurer l'intensité avec laquelle le boson de Higgs interagit avec lui-même.

"Ce paramètre détermine l'énergie associée aux différentes configurations du champ de Higgs et donne ainsi accès à la forme de son potentiel ", décrypte Nicolas Berger. Mais cette mesure est très difficile à réaliser. Elle suppose de produire simultanément au moins deux bosons de Higgs : "Un phénomène environ deux mille fois plus rare que la production d'un boson de Higgs isolé, hors de portée des capacités actuelles du LHC ", précise le chercheur. Quand ce cap sera franchi, les physiciens pourront enfin cartographier la totalité du chapeau mexicain. Une percée potentiellement aussi importante que la découverte du boson de Higgs lui-même, qui ouvrirait une fenêtre inédite sur le mécanisme gouvernant la structure intime du cosmos.

Le LHC n'a pas dit son dernier mot

Les physiciens n'auront peut-être pas à attendre les années 2040 et la mise en œuvre du futur collisionneur circulaire pour commencer à percer les secrets les mieux gardés du boson de Higgs. Prévue pour le début des années 2030, une mise à niveau du grand collisionneur de hadrons, le LHC, augmentera en effet de façon très significative le potentiel de découvertes. "La luminosité du LHC, un indicateur proportionnel au nombre de collisions de particules au sein de l'accélérateur, augmentera d'un facteur dix ", annonce Gautier Hamel de Monchenault, directeur de la recherche et du calcul scientifique au Cern. Poussé au maximum de ses capacités, le LHC "haute luminosité" produira ainsi au moins 15 millions de bosons de Higgs chaque année, contre 3 millions par an depuis 2017. De quoi espérer observer des processus beaucoup plus rares issus des collisions de protons, comme la production d'une paire de bosons de Higgs et leur "autocouplage".

Lancés dès 2018, les travaux se dérouleront principalement à partir de juillet 2026, profitant alors d'une longue phase d'arrêt du LHC. Ils reposeront, en particulier, sur le remplacement de 1,2 km de l'anneau (sur 27 km au total) par des technologies innovantes : des aimants supraconducteurs niobium-étain d'une intensité de 12 teslas, par exemple, permettant de concentrer encore mieux les faisceaux de protons. "Il faut s'attendre à de très grands résultats de physique ", prévient Gautier Hamel de Monchenault.